DE3871927T2

DE3871927T2 - Digitales protektionsrelais.

Info

Publication number: DE3871927T2
Application number: DE8888115966T
Authority: DE
Inventors: Wataru C O Mitsubishi Kayamori; Sunao C O Mitsubishi De Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1988-09-28
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2008-09-29
Also published as: JPH06105266B2; AU601626B2; EP0322518A1; KR910002055B1; AU2282788A; US4885656A; KR890010655A; DE3871927D1; HK182395A; EP0322518B1; JPH01173877A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein digitales Schutzrelais, das auf Amplitudenwerte einer elektrischen Quantität wie z.B. Wechselspannung, Wechselstrom oder dergleichen in einem elektrischen Stromversorgungssystem anspricht, insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Verbesserung der Frequenzcharakteristik eines solchen Relais.

Beschreibug des Standes der Technik

Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Digitalrechners für eine elektrische Wechselstromgröße bekannter Art, wie er z.B. in der JP-A-58-51315 beschrieben ist. Eine Abtastung erfolgt alle 90º des elektrischen Winkels des Wechselstroms, und es werden acht Datensätze benutzt, aus denen die entsprechenden Amplitudenwerte berechnet werden. In Figur 1 deuten die Bezugszeichen 1 bis 8 Abtastwerte des Wechselstromes an, und die Bezugszeichen 9 bis 16 sind arithmetische Quadriermittel. Das Bezugszeichen 17 bezieht sich auf ein arithmetisches Addiermittel zum Bilden der Summe der Resultate aus den arithmetischen Quadriermitteln 9 bis 16. Das Bezugszeichen 18 ist ein arithmetisches Dividiermittel mit dem Dividenden "vier", während das Bezugszeichen 19 ein arithmetisches Radiziermittel bezeichnet zur Berechnung der Wurzel aus dem Ausgangswert des arithmetischen Dividiermittels 18. Das Ausgangssignal Fn des arithmetischen Radiziermittels 19 ist der Amplitudenwert des zu messenden Stromes.
Nachfolgend soll die Funktionsweise des Digitalrechners beschrieben werden. Aus Gründen der leichteren Beschreibung wird angenommen, daß die elektrische Wechselstromgröße ein Wechselstrom ist. Der Maximalwert sei I, der Augenblickswert sei i, die Grundfrequenz f&sub0; und die Abtastperiode sei T. Um die Daten nach der Abtastzeit zu unterscheiden, wird nT als Index hinzugefügt (n = 0, 1, 2, ..., und n = 0 entspricht einer vorgeschriebenen Zeit). Die Daten werden ausgedrückt als i (0), i (T), i (2T), ... i (mT). Werden acht Datensätze benutzt, so ergibt sich folgende Formel:
Die Abtastperiode T ist auf Intervalle abgestimmt, die 90º der Grundfrequenz f&sub0; des Wechselstromes betragen, und es ergibt sich die folgende Formel, wenn die Frequenz f ist:
Ist z.B. die Frequenz des Wechselstromes f = f&sub0; = 50 Hz, so beträgt die Abtastperiode T = 90º.
Da das Stromversorgungssystem mit der Nennfrequenz f&sub0; arbeitet, wird in der Formel (1) der Wert Fn = I, so daß eine Amplitudenberechnung des Stromes möglich wird und z.B. in einem Wechselstrom-Schutzrelais verwendet werden kann. Um mit einem Schutzrelais einen Fehler im Stromversorgungssystem feststellen zu können, muß der Amplitudenwert auch dann genau festgestellt werden, wenn sich die Frequenz aufgrund von Abweichungen beim Auftreten von Fehlern von dem Wert f&sub0; entfernt. Normalerweise muß bei einer Frequenzvariation von ± 5 % der Amplitudenfehler so klein wie möglich sein.
Wird die Frequenz f = 52,5 Hz (Erhöhung von 50 Hz um 5 %), so wird die Periode T = 94,5º, so daß sich durch Einsetzen in die Formel (1) folgendes ergibt:
Fn = I {1 + 0.0737 cos(2Θ - 661.5º)}½ (3)
Dementsprechend wird ein definierter Wert durch eine Schwingung mit doppelter Frequenz überlagert. Da der Ausdruck cos(2Θ - 661.5º) von + 1.0 - 1.0 schwanken kann, folgt hieraus:
Fn = 0.962 I bis 1.036 I (4)
Dementsprechend tritt ein Fehler von - 3.8 % bis + 3.6 % gegenüber dem Amplitudenwert bei der Nennfrequenz von 50 Hz auf.
Bei einem Aufbau des Digitalrechners wie vorstehend beschrieben, ist der Rechenfehler des Amplitudenwertes verhältnismäßig hoch, wenn sich die Frequenz um ± 5 % ändert. Da acht Abtastwerte verwendet werden, können Resultate erst abgegeben werden, wenn 90 x 8 = 720º verstrichen sind. Da Daten von großen Werten benutzt werden, ergibt sich außerdem für den Rechenvorgang ein verhältnismäßig großer Speicherraum.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die vorstehenden Probleme zu vermeiden, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein digitales Schutzrelais vorzuschlagen, bei dem der Rechenvorgang mit hoher Geschwindigkeit bei Benutzung einer kleinen Anzahl von Abtastwerten durchgeführt wird, und bei dem der Rechenfehler des Amplitudenwertes auch bei Frequenzvariationen klein ist.
In dem digitalen Schutzrelais gemäß der Erfindung werden drei Abtastwerte verwendet, und die ersten bis dritten Abtastwerte werden quadriert. Nur der Quadratwert des zweiten Abtastwertes wird verdoppelt, und hieraus wird die Summe gebildet, um den Amplitudenwert zu berechnen.
Vorstehende und weitere Aufgabenstellungen sowie Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Bezug auf die Zeichnungen hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Amplitudenwert-Rechenmittels nach dem Stand der Technik;
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Amplitudenwert-Rechenmittels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 zeigt die Frequenzcharakteristik der Amplitudenwert-Rechenresultate, die mit dem Rechenmittel gemäß der Erfindung erzielt werden; und
Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild des Hardware-Aufbaus eines digitalen Schutzrelais mit den Rechenmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung.

BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden. In Figur 2 beträgt ein Abtastwert 1 zu einem bestimmten Zeitpunkt i (0), ein Abtastwert 2 eine Periode (T) früher i (T) und ein Abtastwert 3 zwei Perioden (2T) davor i (2T). Die entsprechenden Abtastwerte 1 bis 3 werden durch die Quadriermittel 9 bis 11 quadriert, und nur das Resultat des Quadriermittels 10 wird durch ein Verdopplungsmittel 20 verdoppelt.
Die in den Quadriermitteln 9 und 11 sowie in den Verdopplungsmitteln 20 erzielten Resultate werden in einem Addiermittel 17 addiert, und die Summe wird durch die Dividiermittel 22 durch zwei geteilt. Anschließend wird das Ergebnis in einem Radiziermittel 19 radiziert.
Dieser Rechenvorgang wird durch die nachfolgende Formel (5) ausgedrückt:
Sobald die Frequenz f = 52.5 Hz beträgt (Erhöhung von 50 Hz durch 5 %), so wird die Periode 94.5º, so daß sich durch Einsetzen in die Formel (5) folgendes ergibt:
Fn = I {1 - 0.0062 cos(2Θ - 189º)}½ (6)
Dementsprechend wird ein definierter Wert durch eine Schwingungsform mit doppelter Frequenz überlagert. Da der Ausdruck cos(2Θ - 189º) von + 1.0 bis - 1.0 variieren kann, folgt hieraus:
Fn = 0.997 I bis 1.003 I (7)
Auf diese Weise tritt ein Fehler von - 0.3 % + 0.3 % gegenüber dem Amplitudenwert auf, der zur Nennfrequenz 50 Hz gehört.
Obwohl nicht gezeigt, wird das hier ermittelte Rechenergebnis des Amplitudenwertes Fn durch ein fünftes Rechenmittel mit einem vorbestimmten Wert (auch Einstellwert genannt) betragsmäßig verglichen, wodurch ein Fehler im Stromversorgungssystem festgestellt werden kann. Hierbei handelt es sich um ein digitales Schutzrelais.
Obwohl das Ausgangssignal der Addiermittel 17 durch die Dividiermittel 21 und die Radiziermittel 19 entsprechend der vorstehenden Beschreibung verarbeitet wird, kann das Radiziermittel 19 entfallen, wenn der vorbestimmte Wert (Einstellwert) auf einen Quadratwert eingestellt wird. Wird der vorbestimmte Wert (Einstellwert) auf einen Quadratwert eingestellt und verdoppelt, so können das Dividiermittel 21 und das Radiziermittel 19 entfallen, so daß ein digitales Schutzrelais ähnlich wie in der vorstehenden Beschreibung aufgebaut werden kann. Die Quadriermittel 9 sind ein erstes Rechenmittel, während das Quadriermittel 11 ein drittes Rechenmittel ist. Das Quadriermittel 10 und das Verdopplungsmittel 20 bilden ein zweites Rechenmittel 21, während die Addiermittel 27 und die Dividiermittel 22 sowie das Radiziermittel 19 ein viertes Rechenmittel 23 bilden.
Die Variation des Rechenergebnisses des Amplitudenwertes Fn bei Variationen der Frequenz wird nunmehr in Verbindung mit Figur 3 beschrieben.
Wird das Verhältnis der variierenden Frequenz f zur Nennfrequenz f&sub0; durch m =
so kann die Formel (8) aus der Formel (5) abgeleitet werden:
Wird m in Formel (8) variiert und dargestellt, so ergibt sich der schraffierte Bereich in Figur 3. Es ist zu sehen, daß sich in der Nähe von m = 1 (f = f&sub0;) nur eine geringe Variation ergibt, so daß sich der Fehler im Rechenergebnis des Amplitudenwertes auf einem Minimum befindet.
Da die zur Amplitudenwertberechnung verwendeten Abtastwerte durch drei Abtastwerte einschließlich des Abtastwertes zum vorbestimmten Zeitpunkt dargestellt werden können, kann das Resultat nach einem Zeitpunkt entsprechend 90º x 3 = 270º erzielt werden. Dementsprechend kann das Ergebnis nach 3/8 der bisher benötigten Zeit erzielt werden, so daß der für den Rechenprozeß erforderliche Speicherraum auf 3/8 reduziert werden kann.
Figur 4 zeigt den Hardware-Aufbau eines digitalen Schutzrelais 37, bei dem die Amplitudenwertkalkulation gemäß der Erfindung angewandt ist. In Figur 4 sind ein Spannungstransformator 24 und ein Stromtransformator 25 vorgesehen, sowie Meßwandler 26, 27 zum Umwandeln von Spannung und Strom des Stromversorgungssystem in leicht verarbeitbare Meßwerte. Filter 28, 29 eliminieren Frequenzen von ½ oder mehr der Abtastfrequenz. Sample-And- Hold-Schaltungen 30, 31 speichern den Abtastwert bis zur nächsten Abtastperiode. Ein Multiplexer 32 wandelt die Ausgangssignale der Sample-And-Hold-Schaltungen 30, 31 in eine Signalfolge um und überträgt diese an einen Analog-Digital-Wandler 33. Ein Mikroprozessor 34 führt die Operation entsprechend der Darstellung in Figur 2 durch und benutzt hierbei ein Programm, das in einem Speicher 35 gespeichert ist. Er gibt das Resultat an eine Ausgabeschaltung. Das Bezugszeichen 37 bezeichnet ein digitales Schutzrelais.
Obwohl die Beschreibung der Ausführungsform in Verbindung mit der Bestimmung des Amplitudenwertes eines Wechselstromes erfolgt, kann der Wechselstrom der Phasenstrom oder der Leitungsstrom oder eine symmetrische Komponente des Phasenstromes oder Leitungsstromes des Stromversorgungssystems sein, d.h., Strom der positiven Phase, Strom der negativen Phase oder Strom der Null- Phase, ohne daß sich die Wirkung ändert.
Außerdem ist es möglich Wechselspannung mit gleicher Wirkung anzuwenden.
Wie oben beschrieben, werden gemäß der Erfindung drei Abtastwerte kontinuierlich benutzt, und die Abtastwerte werden quadriert. Nur der zweite Quadratwert wird verdoppelt und aus dem ganzen die Summe ermittelt, so daß auch bei einer Frequenzvariation um ± 5 % des Wechselstromwertes der Amplitudenwert genau berechnet werden kann und gleichzeitig das Rechenergebnis in kurzer Zeit zur Verfügung steht.

Claims

1. Digitales Schutzrelais,

bei dem der Augenblickswert einer Wechselstromgröße in jeder Viertelperiode der Nennfrequenz der Wechselstromgröße abgetastet wird,

bei dem die Abtastwerte in Digitalwerte umgewandelt werden und anschließend die Digitalwerte verarbeitet werden, um einen Fehler in einem Stromversorgungssystem festzustellen, gekennzeichnet durch

eine erste Recheneinrichtung zum Berechnen des Quadratwertes des Digitalwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt;

eine zweite Recheneinrichtung zum Berechnen des Quadratwertes des eine Viertelperiode nach dem bestimmten Zeitpunkt auftretenden Digitalwertes und zum Verdoppeln dieses Quadratwertes;

eine dritte Recheneinrichtung zum Berechnen des Quadratwertes des zwei Viertelperioden nach dem bestimmten Zeitpunkt auftretenden Quadratwertes;

eine vierte Recheneinrichtung zum Berechnen der Summe aller durch die erste, zweite und dritte Recheneinrichtung erzielten Resultate, zum Dividieren dieser Summe durch zwei und zum Berechnen der Wurzel hieraus; und eine fünfte Recheneinrichtung zum Vergleichen des Ergebnisses der vierten Recheneinrichtung mit einem vorbestimmten Wert.

2. Digitales Schutzrelaiss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Recheneinrichtungg die summe der Ergebnisse der ersten, zweiten und dritten Recheneinrichtung berechnet und diesen Wert durch zwei dividiert, und daß die Wurzel des Divisionsergebnisses der vierten Recheneinrichtung durch eine Radiziereinrichtung berechnet wird.

3. Digitales Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Recheneinrichtung die Summe der Ergebnisse der ersten, zweiten und dritten Recheneinrichtung berechnet, daß diese in der vierten Recheneinrichtung berechnete Summe in einer Teilereinrichtung durch zwei geteilt wird, und daß die Wurzel aus dem Ergebnis der Teilereinrichtung durch eine Radiziereinrichtung berechnet wird.